海上升“捕風”“捉影”探臺風——我國實現衛星導航信號探測海面風場零的突破

6月5日，作為我國首次海上發射的主要“乘客”，捕風一號A、B衛星從我國黃海海域直奔天際。

在500余公里的高空，它們將通過一雙“慧眼”準確測量海面風場信息，從而實現預報臺風的目的。捕風一號A、B衛星的成功發射，將實現我國衛星導航信號探測海面風場零的突破，對我國臺風預警、防災減災具有重要意義。

捕風一號A、B衛星由中國航天科技集團有限公司五院所屬航天東方紅衛星有限公司抓總研制。

“捕風捉影”看海風

“風無形無影，捕風一號就是通過‘捉’海面上的導航反射信號（GNSS-R）這個‘影’來‘捕’海面風場這個‘風’，實現監測海面風場的目的?！辈讹L一號衛星總設計師白照廣形象地介紹道。

目前，通過衛星觀測海面風場的方式主要有兩種，一是通過衛星云圖來測海風，但這種方式測的是云頂風，與海面風場的測量存在一定誤差；二是通過衛星載荷如散射計，主動向海面發射微波信號來測海風，但這種方式下衛星重量較大，且只能測50米/秒以內的海風，若應用于準實時監測海面風場的星座建設，代價很大。

隨著全球衛星導航系統的發展成熟，利用導航反射信號對反射面的物理特性和參數進行反演已經成為各國新的研究熱點。英國、美國等發達國家都曾發射相關衛星，利用導航信號實現對海面高度、海浪、海風、海冰、移動目標等的探測。

導航信號傳遞到海面后，會發生鏡面反射。沒有風時，反射信號較均勻；有風時，反射信號會隨著海浪出現一段一段的變化，風越大，信號變化越劇烈，進而導致了GNSS-R時延多普勒功率圖像（DDM）的劇烈變化。

“通過DDM第一等延遲環內平均功率大小與海面風速大體上的反比關系即可實現對海面風速的反演?！卑渍諒V介紹說，導航衛星L波段具有良好的大氣穿透性，能夠全天時“捕住風、捉住影”，實現對海面風場的探測，并可通過多星組網監測，實現對極端臺風天氣的“精準”預報。

由于導航衛星的特性，捕風衛星監測到的風場點是離散的。因此，其優勢主要體現在多星星座運行時同步獲取風場數據的能力。由于采用的是被動監測工作模式，捕風衛星具有低成本特性，更適合構建多星星座?！爸鸩綐嫿ㄐl星星座也是我們努力的方向。”白照廣說。

全“新”全意織慧眼

“雖然是首次開展利用導航反射信號探測海風的研究，我們還是有基礎的，不只是開展了原理可行性研究，還開展了試驗驗證。”據白照廣介紹，幾年前，五院西安分院的專家們就著手GNSS-R相關載荷技術研發準備工作，并通過飛機校飛成功在海面上驗證了載荷功能的有效性。

為了讓捕風“慧眼”盡快“看”海風，捕風一號衛星選擇了海上發射。海上發射具有特殊性，衛星面臨著新環境、新流程、新要求，需要設計針對性的新狀態，安排新的測試與檢驗環節。

此次捕風一號衛星經歷了特殊的“旅程”，在與火箭對接之后用“躺倒”的方式進行運輸，從北京一路“坐火車”抵達發射場。研制人員還對衛星上船前的測試工作進行了優化精減。

在捕風一號衛星上，航天東方紅公司首創“交鑰匙”模式，即不僅研制發射衛星，還聯合國內優勢單位開展數據處理與標校工作。例如，航天東方紅公司聯合西安分院建立了數控中心及測控與數據接收站，與用戶運管、數據接收站及商業測控站協同完成測控、運管、數據接收等工作，從而為用戶提供“打包式”服務。

白照廣形象地比喻說，就好像是建房子，過去研制方只是建好毛坯房就交給用戶，現在要把房子精裝好以后，再交付給用戶?！皩碇苯影褦祿跫壆a品傳輸到用戶的系統里，用戶就可以很方便‘看’海風了，簡化了客戶反演的工作量?！卑渍諒V說。

“我們將逐步構建捕風衛星星座，多顆衛星協同觀測，實現更大范圍、更高精度甚至準實時監測全球范圍內的海面風場，更加精準地預警臺風，從而最大限度地避免臺風帶來的人員傷亡和財產損失?！卑渍諒V介紹。

后續，通過開展導航信號微波遙感技術的其他應用拓展，五院將逐步建設捕風衛星星座，進一步提高海面風場測量的實時性，為我國氣象領域海洋/陸地遙感、大氣探測和電離層監測作出貢獻，并服務于“一帶一路”沿線國家的氣象保障和防災減災。

來源：中國航天報